煤礦井下用隔爆型三相異步電動機水冷卻構造設計瑞杰2008級機電一體化專業綱要對煤礦井下用隔爆型三相異步電動機水冷卻系統及構造的設計進行商討。環繞電動機溫度場剖析、熱均衡計算、冷卻系統水流參數計算、冷卻水箱構造設計幾個方面，并聯合實踐論述了有關設計理論和設計方法。要點詞煤礦井下用隔爆型三相異步電動機：水冷卻系統；水冷式構造前言煤礦井下設施采納的隔爆型三相異步電動機其冷卻系統常采納水冷式構造（往常為ICW37）。這是鑒于煤礦井下特別的環境條件和煤礦設施特別的運轉狀況決定的。煤礦井下水冷式電動機擁有以下特色：1）煤礦井下作業場狹小，設施留給機遇的安裝空間較小，環境空氣流動性差。電動機采納風（空氣）冷卻構造，效果遇到很大影響。特別是在采掘面，當煤塊、粉塵等聚積物堵塞電動機外面的通風散熱通道時，電動機通風散熱狀況將更為惡劣。而采納水沉著卻構造，則防止了這個弊端。煤礦井下一般不缺壓力源，水的導熱系數遠遠大于空氣。只需機遇的水沉著系統流道構造設計合理，其冷卻成效和靠譜性優于風沉著式電動機。2）煤礦井用電動機因受設施安裝要求限制，常常要求有較小的外形體積和簡單的外形構造。水冷式電動機構造上沒有電扇、風罩、散熱片等零件，而且水道部署在關閉的殼體之，所以其外形簡潔，體積小于同樣功率的風冷式電動機。3）煤礦井下采掘、運輸等設施，因其特別的工作條件，常常負荷顛簸很大，所用電動機超負荷運轉狀況進有發生，造成電動機溫升增高。此外在設計這些設施使用的電動機時，考慮到其外形體積和功率大小雙方面要求，常常采納減小電動機定、轉子死心外徑，加長定、轉子死心長度的設計方案。由典型的機遇溫升設計理論可知，死心較長的機遇其熱負荷常常偏高，溫升計算偏差也較大，這雙方面的原由以致電動機的溫升處于不行靠狀態。只管采納提升電動機絕緣等級的方法進行填補，但電動機使用壽命也將大打折扣。而水冷式構造的電動機擁有較好的冷卻成效，可填補電動機溫升設計偏差及超負荷運轉帶來的弊端。4）水冷式電動機無電扇、風罩等零件，所以不會產生風摩消耗和噪聲，而且冷卻水箱還擁有吸振減振成效，這些又形成了電動機效率較高、噪聲低、振動小的長處。從以上剖析能夠看出水冷卻系統在煤礦井下用電動機上的重要作用，所以對其系統和構造的設計研究必需。當前國很多電機廠家都累積了各自在此方面的可貴經驗，亟待進行理論性的整理和提升。本文試對此問題睜開初步商討。水冷式電動機的溫度場剖析與熱均衡計算1.1溫度場剖析水冷式電動機的溫度場同風冷式電動機基真相像，其不一樣處在于風冷式電動機是靠自帶電扇吹動機殼外的空氣帶走熱量，而水冷式電動機是利用包在機殼外水箱里水的流動帶走熱量。介質的物理特征有較大差異。進行水冷式機遇溫度場熱路剖析，能夠借用風冷式電動機等效熱路模型。見圖1。出水口

環境

進水口水箱壁水箱機殼壁軛部繞組機內齒部導條端環軸承軸圖例：

熱傳導；圖1

熱對流；無源節點；有源節點熱路模型圖從等效熱路能夠看出，整個熱路系統傳熱方式多樣，傳熱路線復雜。依據實質工程的要求，我們能夠對問題做以下簡化和設定。1）電動機的溫度散布沿圓周方向對稱，電動機在圓周方向冷卻條件同樣。2）對機遇部的各樣傳熱方式和路線進行簡化，認定電動機運轉產生的熱量所有經過機殼壁法線方向向外傳達，即熱量先以導熱的方式傳給機殼壁，又以對流方式傳給水箱的冷卻水，流出水箱的水帶走大多數熱量，小部分熱量由水傳達給水箱外壁后在空氣中發散，見圖2。3）圖2顯示熱傳達過程的溫度梯度。t、t1、t2、t3、t4分別是各界面的溫度。我們依據工程實質要乞降導熱基本定律分別確立和計算其溫度值。此中，t—GB755—2000規定的電動機繞組的溫度限值（）即最高環境溫度+繞組的溫升限值，B級為120℃，F級為145℃，H級為165℃）；t1—我們設定為電動機繞組及繞組及死心等部各發熱源傳達至機殼壁的溫度限值。為保證機遇絕緣壽命靠譜性，取t1~t2段是導熱方式傳熱，按傅立葉導熱基本定律Bq1=(t1-t2)/A(1)由此可計算t2t2~t3段是對流方式傳熱按牛頓冷卻定律q2=Aα（t2-t3）由此可計算t3q1—導熱方式傳熱流量（W）；q2—對流方式傳熱熱流量（W）；λ—導熱系數（W/m℃）;t2—接觸表面（機座表面）溫度（℃）；t3—流體溫度（℃）；B—機座壁厚（m）;A—接觸表面面積（m2）。3）我們設定電動機的熱量主要來自電動機運轉中定轉子繞組的消耗、硅鋼片鐵耗、機械耗及其余雜散消耗，即H=p2(1/η-1)式中，H—機遇單位時間產生的熱量（kw，KJ/h）；p2—電動機額定輸出功率（kw）；η—電動機的效率。4）我們廟宇電動機冷卻水箱里的水為理想液體做定常流動。1.2熱均衡計算如上所述電動機產生的熱量絕大多數被擁有必定壓力和流速的水帶出冷卻水箱外發散（傳給水箱外壁的熱量因量少且散熱條件差可發忽視），所以對流傳熱部分是我們研究的要點。對流傳熱的熱流量與其介質性質、流動速度、接觸面積、接觸面溫差有親密關系。熱力學試考證明，熱流量與的過程關系很大。電動機水沉著系統的水不是在水箱關閉狀態對流傳熱，而是從入口流入，經過部流道汲取熱量，再從出口流出。假如按經典理論公式計算與實質狀況差異太大。依據水的熱力學性質和詳細狀況，我們采納以下經驗公式更切合工程實質要求。Φ=SρCp(t進-t出)（4）式中，Φ—單位時間流出水箱的水帶走的熱量（kw，kJ/h）；s—水流量（m3/s）；ρ—介質密度（kg/m3）；Cp—介質比熱（J/kg℃）；t進—進水口水溫，按煤礦井下狀況我們設定為30℃；t出—出水口水溫，為防止燙傷，我們設定為50℃。設計的理想狀態是電動機運轉產生的熱量所有由冷卻水帶走（忽視水箱外壁和端蓋外壁發散的熱量），使電動機溫升保持在絕緣資料的溫度限值之。由此成立熱均衡方程Φ≥H（5）當發生異樣狀況造成水流中止時，原熱均衡狀態將被損壞。電動機產生的熱量不可以被水帶出，以致水箱積水溫度不停高升，直至達到沸點溫度。這類狀況也是電動機水冷卻系設計一定考慮的。有關標準規定水冷式電動機當達到額定運轉熱穩固狀態時，斷水10min，定子繞組端部溫度應不超出相應絕緣資料的溫度限值。水擁有優秀的熱容性，由水的比熱公式Q=CM△t（6）式中，Q—水汲取的熱量（kw，KJ/h）；C—比熱（J/kg℃）；M—質量（kg）；△t—溫度增量（℃）。可知水的質量越大汲取的熱量越多，則能保證電動機部熱量不停傳出，使定子繞組溫度不超出限值。依據水的熱容特征和有關標準中對水冷式電動機斷水要求的時間和溫度限制要求，我們能夠成立又一熱均衡方程。公式（3）為電動機單位時間產生的總熱量Q1=HT（7）熱均衡方程為：Q≥Q1即CM△t≥HT（8）式中，T—電動機斷水時間=10min；△t=水沸點溫度-設定水箱出口水溫。水冷系統最小容積確實定2.1冷卻水箱最小容積確實定由熱均衡方程（8）我們能夠初步確立冷卻水箱的容積V。將M=ρV代入式（8）則V≥HT/C△tρ（9）為使電動機有較小的構造體積，我們應聯合電磁設計、機殼構造設計等詳細狀況求得水箱的最小容積。2.2冷卻水箱的水流量確立由熱均衡方程（4）我們能夠初步確立冷卻水箱的水流量。將式（4）代入式（5），則S≥H/ρCp（t出-t進）（10）2.3冷卻水箱水流壓力確實定為保證水箱冷卻水的不停流動，進入水箱的水流一定擁有必定的壓力，該壓力是關閉管道中水流動的主要能量（即壓能），我們高該壓力為P1，出口處的水直接放入環境，其壓力P2等于大氣壓（壓力值采納標準工程大氣壓）。進水口與出水口的壓力差△p相當于不等高水位的勢能差（落差），即：P1-P2=p=h。依據伯努利方程論述的流體在管道做定常流時的能量守恒和能量變換定律，進水口與出水口水位勢能差將變換為整個水流的動能增添。即P1-P2=△p=h=V2/2g（11）因出水口壓力P2等于標準工程大氣壓，則P1=P2+V2/2g（12）又因水箱的水流量已由式（10）確立，在我們依據工程結構要求采納適合的進水口和出水口標準件管接頭，確立其截面積計算其流速后，便可進一步計算出進水壓力P1。式（12）是把水作為穩態定常流動的理想液體進行計算的，但因冷卻水箱中水道構造原由及水并不是理想液體，水流過程不行驚詫地產生沿程壓力損失和局部壓力損失。實質采納進水壓力應大于計算值，依據煤礦井下狀況一般選擇3Mpa以下壓力水。冷卻水箱的構造設計上述水冷卻系統的主要參數是水箱詳細構造設計的基本依照。我們以容積、流量、壓力為拘束條件，聯合電動機的電氣性能要求、外形安裝尺寸要求等，綜合調整各個數據，對水箱詳細構造進行優化進行。3.1冷卻水箱基本構造設計煤礦井下電動機冷卻水箱是由電動機座外殼和水箱外殼構成的套筒式構造，腔部署導水流道，兩頭用端環封堵，其容積大小是設計考慮的主要要素之一。機殼徑依據定子死心外徑確立，機殼壁厚則要綜合考慮其構造強度、導熱成效及同其余零零件的安裝置合尺寸等要素確立，而后依據容積要求確立水箱外殼尺寸，并參照整機外形尺寸要求進行適合調整。水箱外殼壁應能保證在部3Mpa壓力水壓力下不變形。3.2冷卻水箱流道構造設計水箱流道設計應盡量防止構造上產生的液流阻力，如流道截面積的忽然變化、水流方向急劇改變、管接頭過多、渦流區多死水面積大等缺點。冷卻水箱流道常采納螺旋式和折返式兩種基本構造型式，各有特色和使用限制性。螺旋式繞電動機外殼，構造暢達，流道截面積比較均衡，機同一端，一定經過外接水管把進水口和出水口調整到同一端地點，以方便外接水源安裝，見圖3。折返式水道適合較小規格型號電動機。水道沿電動機外殼軸線方向平行擺列，水流從機殼尾部進入沿水道抵達機殼另端拐彎折回，來去多次復蓋機殼所有表面面后，又從機殼尾部流出，見圖4。折反式水道構造折彎多，水流方向變化大，水流滯阻力較大。為戰勝這個弊端，應適合提升進水口水的壓力。但采納折返式水產的水箱，其進水口、出水口都可部署在水箱尾部端環上，與水源連結方便。電動機整機外形構造簡短、體積小，殼體外面可加工出用于安裝的定位面，特別適合于吞入安裝。3.3水道截面積確實定螺旋式流道和折返式流道都是采納適合厚度鋼板，在機殼壁外按等間隔距離焊接，形成水道。水道截面呈矩形或扇形，我們以上已確立的冷卻水箱水流系統的容量、流量、壓力、流速為依照，綜合考慮確立水道截面尺寸。3.4冷卻水箱構造工藝性設計冷卻水箱即電動機的殼體，在整機中擔負多項功能，知足冷卻性能、隔爆性能及與其余零零件安裝置合等多項技術要求。其加工制造工藝較為復雜，所以在水箱殼體詳細構造設計時就一定考慮其加工制造的工藝性。水箱殼體系造工藝可分為殼體毛坯制造和機械加工兩大多數，此中殼體毛坯制造是關鍵。水箱殼體為焊接組合構造，構成殼體的筒、外筒、端環及流道隔板等零件均要采納焊接性能和綜合機械性能較好的碳素構造鋼（如Q235-A）。、外筒可直接采納構造尺寸適合的管材，也可采納鋼板下料后卷圓而成。零件應粗加工出配合止口和焊接坡口，進而保證整體的尺寸精度和焊接質量。水箱部流道隔板按設計尺寸和地點要求與筒外壁焊牢。如采納螺旋式結構水道，則應選擇尺寸適合的小截面方鋼或圓鋼，進行早先成型，而后套入筒焊接。流道隔板與筒焊接后應加工其外圓，保證與外筒壁的配合嚴實。水箱殼體焊接達成后，應進行除去焊策應力力辦理，以減小機加工后殼體變形。水箱殼體所有精加工后，要求進行靜壓試驗，保持壓力3Mpa、